Двоичные часы. Бинарные часы на AVR

Многие задаются вопросом по поводу того, . Здесь дам некоторые инструкции и расскажу, как пользоваться некоторыми бинарными часами и как определять на них время. Обо всех моделях часов рассказывать не буду, а только о тех, которые сам держал когда-либо в руках. Бинарные часы отличаются от обычных тем, что не имеют как такового циферблата. Время закодировано. Но на самом деле определить время на них не составляет особого труда, а особенно владельцам, которые пользуются ими постоянно. Представленные ниже часы в интернете могут называться по-разному. Так что ориентируетесь по фотографиям.

Производство: Китай.
Определение времени : самый левый столбец, состоящий из 12 светодиодов, отображает часы; остальные 5 столбцов, состоящие из 60 светодиодов, отображают минуты. Цифры по бокам позволяют лучше ориентироваться в определение времени. На часах с фотографии: 4 часа 41 минута.
Аналогично определяется и дата. Левый столбец показывает месяц. Светодиоды в остальных столбцах показывают число. Если включен режим даты, то максимум могут загореться только 31 диод (31 число месяца).
(Virus)
Производство: Китай.
Как пользоваться бинарными часами Вирус : один красный светодиод равен одному часу, один желтый светодиод равен пяти минутам, один зеленый светодиод равен одной минуте. Время определяется посредством подсчета светодиодов. На часах Вирус с фотографии: 10 часов 54 минуты, так как горит 10 красных светодиодов (10 часов), 10 желтых светодиодов и 4 зеленых (10×5+4=54)
(Mickey mouse )
Производство: Китай.
Определение времени на часах : "мордочка", состоящая из 12 светодиодов отображает часы; "правое ухо" отображает десятки минут; каждый светодиод на "левом ухе" равен одной минуте. Цифры позволяют лучше ориентироваться в определение времени. Дата определяется следующим образом: "мордочка" показывает месяц, "правое и левое ухо" число.

(Flash Lights)
Производство: Китай.
Как пользоваться бинарными часами Спидометр : 12 верхних светодиодов отображают часы, средние 5 светодиодов отображают десятки минут, каждый светодиод из нижней части отображает 1 минуту. Цифры позволяют лучше ориентироваться в определение времени. Индикаторы AM и PM указывают на время суток (день, ночь). Дата отображается следующим образом: верхние 12 светодиодов указывают месяц, остальные - число. Настроить часы, думаю, каждый сможет самостоятельно.

Двоичные часы (Singularity)
Производство: Китай.
Определение времени на двоичных часах: вертикальная шкала с цифрами 1, 2, 4, 8 отображает часы. Чтобы узнать сколько часов, необходимо суммировать цифры, светодиоды которых подсвечены. Нижние горизонтальные светодиоды отображают минуты. Для определения количества минут необходимо сложить подсвеченные цифры. Индикаторы AM и PM указывают время суток (день, ночь). Дата определяется также с помощью арифметических подсчетов.

Определение времени на часах Winston аналогично определению времени на часах Singularity. Winston отличается от вышеупонянутых часов только присутствием на циферблате логотипа Winston.

Бинарные часы Matrix
Производство: Китай
Определение времени на бинарных часах : два левых столбца показывают часы, а два правых - минуты. Время читается слева направо.
Часы имеют несколько индикаторов: доллар говорит о том, что отображается год; солнце - отображается день недели, число и месяц.
Наглядно всё показано на схеме ниже.

Ко всем бинарным часам должна идти в комплекте инструкция. Так что если вы купили какие-то другие часы и не знаете, как пользоваться бинарными часами или как определить на них время - смотрите инструкцию.

Однако перед этим научитесь , ведь, согласитесь, будет неловко признаться в незнании, когда вас попросят подсказать, который час. Вы подскажете, конечно, но ведь ваши сведения можно сравнить с показаниями традиционных часов. Согласитесь, будет неловко. Поэтому следуйте простым инструкциям, и вы научитесь определять время по бинарным часам . Сделать это можно двумя способами.

Двоично-десятичный режим

Расшифровка

Для начала внимательно посмотрите на бинарные часы . Дисплей часов имеет три столбика, в каждом из которых предусмотрено по два ряда огоньков.

Первый столбец показывает часы, второй, соответственно, минуты, ну и третий подскажет, сколько секунд утекло. Все столбики имеют одинаковую структуру.

Первый ряд огоньков в столбце, отражающем часы, показывает первую цифру, десятки, а второй, вторую цифру - единицы. Каждый ряд содержит в себе от двух до четырех огоньков, каждый из которых подразумевает степень двойки. Так самый нижний огонек представляет 2 в степени «0». Такое значение принимается за единицу.

Второй огонек представляет 2 в степени «1», что принимается за двойку.

Третий огонек символизирует 2 в степени «2», т.е. обозначает четыре. Ну и четвертый огонек отображает 2 в третьей степени, что расшифровывается как восемь (см. изображение).

Теперь, когда вы имеете представление о работе бинарных часов, попробуйте определить, сколько часов показывают бинарные часы на изображении. Вы видите, что в первом ряду столбца, отражающего часы, горит один огонек. Помним, что первый огонек отображает 2 в степени «0» и читается как единица. Далее во втором столбце не горит ни один огонек, соответственно, это читается как нуль. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что часы на изображении показывают десять часов. Только помните, что часы отображают время в режиме суток, поэтому если вам неудобно, отнимайте двенадцать, когда часы показывают тринадцать и более часов. К примеру, если часы показывают пятнадцать, то вы можете смело считать, что это три часа.

Таким же способом попробуйте определить, сколько минут показывают бинарные часы на представленном изображении. Так в первом ряду столбца, отражающего минуты, вы видите, что горит два огонька. Вспоминая правила определения времени по бинарным часам, можно сделать вывод, что первый столбец отображает тройку. Во втором же ряду этого столбца видно, что горит три огонька. Помня о степенях двойки, сложим все показатели и получим цифру семь (см. изображение). Сопоставляя первую и вторую цифру, можно сделать вывод, что минутный столбец показывает значение 37. Вспомним о показателе часов и получим, что часы показывают время 10:37.

Расшифровка показатели секунд иногда представляется достаточно сложным, ведь секунды постоянно изменяют свои значения. Определять значение столбца с секундами вы научитесь тогда, когда определение показателей бинарных часов дойдет до автоматизма. Итак, на представленном изображении вы видите, что в первом ряду столбца, отражающего секундные значения, горит верхний третий огонек. Помня о степенях двойки, мы может сделать вывод, что этот огонек указывает на цифру 4. Во втором ряду этого же столбца горит четвертый огонек и первый, т.е. самый нижний. Следуя правилам определения времени по бинарным часам, можно сделать вывод, что верхний огонек означает цифру 8, а самый нижний, соответственно, единицу. Складываем обе цифры и получаем девятку.

Результат

Теперь сопоставим значение первого и второго ряда столба и получим значение 49. Таким образом, часы на изображении показывают время 10:37:49.

Подлинный бинарный (двоичный) режим.

Расшифровка показателей

Способ расшифровки бинарных часов, которые имеют всего два ряда совершенно такой же, как и при двоично-десятичном режиме. Однако есть один нюанс, теперь в каждом ряду имеется лишь одна строка. Огоньки в верхней колонке соответствуют принципу степеней двойки: 1, 2, 4, 8. А вот в нижней колонке вы можете заметить не четыре огонька, а шесть. Не стоит пугаться, ведь принцип и во второй колонке соблюден, просто добавлено несколько значений: 1, 2, 4, 8, 16, 32. Нет необходимости добавлять больше шести огоньков, ведь следующее значение будет 59, которое можно записать так, что будет гореть первый, второй, четвертый, пятый и шестой огоньки.

Определить часы

Теперь попробуйте определить, сколько часов показывают часы на изображении. Вы видите, что горят первый и второй огоньки. Зная о степенях двойки в бинарных часах, можно определить, что первый огонек означает цифру один, а второй, соответственно, двойку. Сложим оба показателя и получим цифру «3».

На представленном изображении часы имеют два ряда огоньков, однако вы должны помнить, что могут быть часы и со столбцами. Принцип определения времени по таким часам будет таким же, как и в этом случае. Главное помните о двоичной системе исчисления, которая подразумевает только две цифры для шифрования «0» и «1». Так показатели, которые вы только что определили, в двоичной системе будут выглядеть, как 0011, что также будет равно значению «3».

Определить минуты

Используя описанную технику, по часам на изображении можно видеть, что горят первый, четвертый и пятый огоньки. В двоичной системе это будет выглядеть, как 011001. Вспоминая о степенях двойки, можно сделать вывод, что первый огонек показывает «1», четвертый «8», а пятый, соответственно «16». Сложим все показатели и получим значение «25».

Определить секунды

Остается только определить показания секунд. Сделайте это самостоятельно по описанному принципу, если на ваших часах присутствует столбец или ряд, отображающий секунды. На представленном изображении он отсутствует, поэтому описывать его определение не имеет смысла.

Помните о практике и тренируйте свой мозг. Со временем вы научитесь быстро и с легкостью определять время по бинарным часам даже в том случае, если на первый взгляд вам показалось это очень сложным. Не зацикливайтесь на математике, помните лишь о значении и расположении каждого огонька. Для того чтобы быстро научиться определять время по бинарным часам, купите первые часы со столбцом, отображающем секунды. Значения в нем будут самыми большими, поэтому, научившись быстро определять секунды, показания минут и часов станут для вас очень простыми.

Эти наручные электронные часы показывают время в двоичной системе, поскольку для этого требуется меньше светодиодов для отображения времени, чем у обычных цифроиндикаторных часов, да и оригинальность будет на уровне. Распространённый кварц 32С417 на 32.786 кГц был использован, чтобы PIC16F527 запустить в режиме низкой мощности и помочь повысить точность хронометража. Для ношения на запястье руки использовался подходящий матерчатый ремень.

Микроконтроллер PIC16F527 тут использовался потому, что он имеет самый маленький из доступных пакетов. Для питания часов подходят батареи типа CR2032 в специальном держателе. Эта батарея имеет приличную емкость, хотя она размером всего с монету. Чтобы уменьшить площадь печатной платы и стоимость конструкции, было выбрано одну-единственное гасящее сопротивление для всего блока SMD светодиодов.

Увеличить изображение можно сохранив его на компьютере. Проектировка схемы тут на базе типовой двухслойной печатной платы.

А стандартный 20 мм ремешок как раз помещается внутри вырезов.

Алгоритм работы часов

Основной цикл отслеживает, в каком режиме работают часы в настоящее время. Первое состояние - в нерабочем виде, где часы опрашивает коммутатор и ждет ввода пользователя. После того, как кнопка нажата, система движется ко второму состоянию, которое вычисляет, как долго часы будут отображаться. Затем идёт переход на состояние три, которое делает большую часть работы по разветвлению исходя из того, что пользователь в данный момент делает. Часы включают светодиоды в таком состоянии. Если пользователь удержал кнопку в течение более 3 секунд - часы переходят в состояние четыре. Это состояние коррекции времени. Чем дольше кнопка нажата, тем быстрее время меняется.

Доброго времени суток. В сегодняшней статье мы изготовим необычные бинарные часы на базе Arduino своими руками . Разобравшись с процессом создания подобной поделки , в дальнейшем вы сможете повторить бинарные часы любой конструкции.

Шаг 1: Что же такое бинарные часы?

Для начала вспомним, что же такое бинарное (двоичное) число – это число представленное в двоичной системе исчисления, числовыми значениями, что используют всего два символа: 0 (ноль) и 1 (единица).

Бинарные часы – это часы, что отображают время в двоичном формате. В проекте используются 6 колонок светодиодов для отображения нулей и единиц. Каждая колонка отображает одну цифру/разряд, такой формат известен, как двоично-десятичное число (ДДЧ). Каждая линия отображает степень двойки, от 2^0 (или 1), до 2^3 (или 8). Поэтому всё, что нужно сделать при чтении информации с часов – просуммировать значения колонок с включенными светодиодами. Например, в первой колонке включены 4-й и 1-й светодиоды. Прибавляем 8 к 1 и получаем 9 (количество секунд равное 9). Следующая колонка десятые секунды, в ней светится только 3-й светодиод, поэтому общее значение будет равно 49 секундам, точно также с минутами и часами. Пожалуйста, отметьте следующее, что часы отображают время в 24-х часовом формате.

Шаг 2: Составные части

• Arduino Pro Mini 328 5 V — использовал такую плату, но фактически можете использовать любую другую. Если вы ни разу не использовали Pro Mini, то наверняка вам будет нужен CP 2102 (программатор) для подключения платы к компьютеру;

• DS 1302 — модуль часов реального времени ;

• 20-ть 10 мм диффузных «тёплых» светодиодов (советую брать с запасом);

• 20-ть резисторов с номиналом сопротивления 10Ω;

• 2 тактовые кнопки;

• 2 резистора с номиналом сопротивления 10kΩ (используются, как нагрузочные резисторы).

Шаг 3: Изготавливаем прототип

Начнём изготавливать прототип будущей поделки . В принципе, это не обязательное условие, но нужно же посмотреть на то, как светодиодная матрица, Arduino и часовой модуль будут работать вместе. При прототипирование использовал Arduino Mega и простые красные светодиоды. Всё работает хорошо, как и ожидалось.

Шаг 4: Корпус

Корпус самоделки (состоит из двух половинок) будет изготовлен из дерева. Оно будет контрастно смотреться на фоне бинарных часов и придаст поделке ретро стиль.

Шаг 5: Схема

Светодиоды сгруппированы в матрицу, чтобы уменьшить количество задействованных выводов arduino. В нашем случае под матрицу отведено 9 выводов. После изготовления светодиодной матрицы, припаяем выводы к arduino, затем модуль часов, кнопки для настройки времени и под конец блок питания.

Шаг 6: Код

За основу кода взят пример с Arduino Playgroud post для модуля часов DS1302. После чего были внесены изменения для отображения времени на светодиодной матрице.

Пожелав собрать бинарные часы, я так и не нашел приемлемой готовой конструкции в сети. Большинство часов обладали серьезным недостатком – при отключении питания, настройки времени сбивались. По счастливой случайности, незадолго до этого, я начал осваивать язык Си и микроконтроллеры AVR. Итак, было решено подкрепить полученные знания практическим опытом, а заодно изобрести велосипед. А еще я очень люблю зеленые мигающие светодиоды.

Схема

RTC

Проблему сохранения текущих настроек прекрасно решают часы реального времени (RTC). Мой выбор пал на микросхему DS1307 .

По заверениям производителя, при отключении питания, она может сохранять время и дату в течении 10 лет, потребляя энергию одной лишь литиевой батарейки типа CR2032. Т.е часы продолжают тикать, сохраняя приемлемую точность хода. Время не сбивается, снова включив часы, мы получаем реальное время на циферблате, а не время на момент выключения. Микросхема общается с микроконтроллером через «квадратную шину» I 2 C, сообщая точное время и принимая новые его значения.

Сердце устройства

Выбор микроконтроллера Mega32a был продиктован следующими факторами:
Достаточное количество портов, чтобы не использовать динамическую индикацию, которую я не люблю, в первую очередь из-за того, что она раздражает зрение (мигание с высокой частотой в любом случае неестественно). С ней я познакомился, играясь с микроконтроллерами PIC на языке Proton PICBasic, и если есть возможность не использовать динамическую индикацию, я предпочту так и сделать.
Относительно низкая стоимость в 130 рублей (Mega16a, например, стоит столько же), а со скидкой так вообще 104 рубля.
Четкий QPF-44 корпус, с удобным расположением выводов


Порт «А» отображает секунды, порт «В» - минуты и порт «С» - часы. Очень удобно то, что можно присвоить портам значения времени, принятые из DS1307, без каких – либо изменений. К порту «D» подключены кнопки (пины 3 – 7), пины 0 и 1 работают как линия тактирования (SCL) и линия последовательной передачи данных (SDA) соответственно. Микросхема RTC настроена так, что выдает на своей седьмой ноге импульсы с частотой 1 герц. Эта нога подключена к 3-му пину порта «D». Сам этот порт сконфигурирован на вход, и на всякий случай включены внутренние подтяжки к плюсу питания, продублированные SMD резисторами снаружи. Такие действия в полной мере защищают от всяких неожиданностей.

Светодиоды

Светодиоды я выбрал в матовом корпусе с низкой светимостью. Сначала были опробованы яркие диоды в прозрачном корпусе, но даже при токе в 3 мА они слишком ярко и неравномерно светили, что опять таки вызывало дискомфорт. При падении напряжения на диоде в 2 вольта, напряжении питания 5 вольт и резисторе 1 кОм, значение тока, текущего через диод будет равно (5 – 2)/1000 = 3 мA. Это значение было подобрано эмпирически, а яркость свечения отлично подходит для полутемной комнаты. Если планируется устанавливать часы под прямой солнечный свет, то номинал резисторов следует уменьшить, вплоть до 200 ом, для более яркого свечения (спасибо кэп).

Кнопки

На отдельной плате с кнопками, предусмотрен «предохранитель» (он убережет нас от случайного выстрела в голову), в виде еще одной кнопки Bt6. Время можно редактировать, предварительно зажав ее.

Софт

Печатная плата

Плата выполнена по Великой Космической Лазерно – Утюжной Технологии на одностороннем текстолите. При изготовлении верхней платы, использовалась обычная бумага (неудачный эксперимент).


Существует много вариаций этой технологии. На мой взгляд, вот этот самый лучший:
1. Выпиливаем нужного размера кусок текстолита.
2. Шкурим торцы, избавляясь от вредных заусенцев.
3. Смазываем будущую плату чистящим порошком или зубной пастой и жесткой стороной губки драим ее до блеска.
4. Окунаем наш кусок на пару десятков секунд в слабый раствор теплого хлорного железа, до появления равномерной, матовой, бардово-коричневой поверхности. При вытаскивании из раствора, жидкость должна полностью смачивать поверхность.
5. Смываем каку, аккуратно сушим, не прикасаясь к поверхности пальцами, или чем другим жирным. Сразу кладем на чистую бумагу медью вниз, чтобы избежать попадания пыли или волос.
6. Распечатываем отзеркаленный рисунок на тонкой(!) глянцевой бумаге, можно вырезать из журнала, например. Не прикасаемся к рисунку руками. Аккуратно вырезаем, кладем рисунком вниз.
7. Прикладываем к подготовленному куску текстолита, проглаживаем через 1-2 слоя чистой бумаги, выставив утюг на максимальную температуру. Секунд 10 должно быть достаточно, ибо если передержать, дорожки расплющатся и затекут друг на друга. Тонер должен полностью прилипнуть к меди.
8. Отмачиваем под струей теплой воды, можно оставить в воде на 10 минут. Аккуратно отдираем, соскребаем бумагу. Мне в этом помогает старая зубная щетка. Удаляем оставшиеся кусочки бумаги иголкой. Тонер остается на текстолите.
9. Нагреваем на водяной бане крепкий раствор хлорного железа, бросаем туда нашу плату и бултыхаем в течении нескольких минут (по правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2 раза. Медь исчезает прямо на глазах. Можно и не греть, но ждать придется дольше.
10. Как только вся ненужная медь исчезла, выключаем газ, вытаскиваем (например пинцетом) плату, пытаемся отмыть плиту и пальцы от хлорного железа. Смываем его с платы проточной водой.
11. Берем ацетон (жидкость для снятия лака) и оттираем тонер. Можно попробовать соскрести его шкуркой или губкой.
12. Сверлим отверстия.
13. Лудим. В качестве флюса использую ЛТИ, и вам советую, однако после лужения и пайки этот флюс нужно обязательно смыть (тем же ацетоном, а лучше смесью спирто-бензин 1:1), т.к. ЛТИшка обладает некоторой проводимостью.
Все работы обязательно проводить в проветриваемом помещении, в процессе
выделяется много вредных паров.


Платы соединяются между собой PBS и PLD разъемов. Первые соединяются с верхней платой при помощи тонкого монтажного провода, его можно выковырять, например, из старого LPT кабеля или переходника.


Вторые припаиваются к нижней плате, причем штырьки, ведущие к клавиатуре загибаются (см. фото).

Печатные платы в формате SprintLayout5.0 прилагаются. На фотографиях есть пару косяков, но они уже исправлены в приложенных файлах.

Прошивка микроконтроллера

Для этого дела был собран программатор USBasp , который можно увидеть на фото сверху. Довольно приятная штука, прост в использовании и можно всегода носить его с собой в кармане(надеюсь, никто так делать не станет). Для прошивки mega32 придется установить джампер «Slow SCK».
Фьюзы:
Low fuse = 0xC4
High fuse = 0xD9
Наш микроконтроллер тактируется от внутреннего RC генератора с частотой 8 МГц. Пришлось отключить JTAG интерфейс на PortC, иначе некоторые светодиоды не будут светиться.
На плате предусмотрен ISP10 разъем, для быстрой прошивки/отладки.

Лицевая панель

Выполнена из алюминиевой пластины, шириной 40 мм и толщиной 1,5 мм. В ней просверлены 18 отверстий диаметром 5 мм, и 4 отверстия диаметром 3 мм для крепления стоек.


Сначала был распечатан шаблон и наклеен на пластину. Далее, были просверлены пилотные отверстия сверлом 1,5 мм, после чего уже сверлами нужных диаметров были просверлены основные отверстия.


В завершении, пластина была загнута, ошкурена мелкой шкуркой и отполирована пастой ГОИ.
Шаблон прилагается к приложенным файлам в виде файла layout5.0

Красный светодиод в левом верхнем углу

Повторяет импульсы, генерируемые DS1307 на 7-ой ноге, т.е. мигает каждую сегунду. Маленький p-канальный MOSFET транзистор работает в ключевом режиме, открываясь и закрываясь в такт импульсам. Сначала я хотел сделать фоновую подсветку (как Ambilight), для чего был слеплен КМОП инвертор на комплиментарной паре транзисторов(чтоб уж наверняка). Но мне не понравилось. Для одного светодиодика вполне достаточно одного транзистора, можно использовать даже pnp типа bc857. Я использовал бескорпусные mosfet irlml6402 или irlml6302.

Файлы

Исходники, hex-файл, печатные платы, схемы, схема в proteus и фьюзы заключены вот в эту картинку в виде архива. Я не доверяю файлохранилищам, своего сервера у меня пока нет, поэтому, на мой дилетантский взгляд, самым надежным местом для хранения будет Хабр. Пользователи windows могут добраться до файлов открыв сохраненную картинку с помощью WinRar.
Да, вот эта картинка.

Видео

Заключение

Источник питания можно использовать любой, способный выдать 5 вольт при токе в 70 мА. USB-порт вполне для этого подойдет. Главное, чтобы питание было «чистым», и не превышало 5 вольт. Питая часы от DC-DC преобразователя из на микросхеме mc34063 с уровнем помех ~50 мВ, я заметил глюки при установке времени. Сейчас устройство питается от свича, висящего рядом. Он выдает строго 5 вольт. По хорошему, нужно еще сделать защиту от дурака в виде диода, и какой-нибудь линейный стабилизатор на 3.3 - 5 вольт.
Отсутствие в часах функций будильника и отображения даты вполне обосновано: и то и другое присутствует в телефоне, а значит, пользоваться ими в бинарных часах с большой долей вероятности никто не будет (спасибо дядюшке Оккаму за этот вывод).